Festigkeitsprüfung

Bei maximaler Kurzzeitbelastung

Das Kriterium für das Versagen einer Komponente bzw. einer Baugruppe kann entweder die Überschreitung der Streckgrenze oder der Bruch oder beides sein. Im Fall der Prototypenprüfung lag die Zugfestigkeit von im Sandguss gegossenen Gussteilen aus der Legierung ZP12/ZP1110 zwischen denen der Zinklegierungen ZP3/ZP0400 und ZP5/ZP0410 gegossenen Druckgussteilen. Die Dehnung liegt bei den im Sandgussverfahren hergestellten Gussteilen aus ZP12/ZP1110 niedriger. Kombinationen aus Gussdesign und Lastbedingungen führen zu einer signifikanten Umverteilung von Spannungen. Wenn das Bauteil plastisch verformt wird, kann dies zu irreführenden Ergebnissen führen, wenn Prototypen aus der Zinklegierung ZP12/ZP1110 auf Brucheigenschaften getestet werden. Eine Prüfung auf geringe plastische Deformierungen sollte bereits ein aufschlussreicheres Resultat bringen. Wenn dies nicht realisierbar ist, sollte ein wärmebehandelter Prototyp aus ZP27/ZP2720 ein entsprechend repräsentatives Ergebnis aufzeigen.

Da die Festigkeitseigenschaften von Zinklegierungen temperaturabhängig sind, sollten die Versuchläufe bei der höchst möglichen Betriebstemperatur während des Serienbetriebes durchgeführt werden. Im Falle höherer Temperaturen über 60°C sollte die Prüfung zügig vorgenommen werden bis die Streckgrenze erreicht ist. Wenn der Prüfling nicht unmittelbarer belastet wird, wird das Prüfresultat bedingt durch die Kriecheigenschaften der Zinklegierung negativ beeinträchtigt.

Dauerprüfung

Bei zyklischen Belastungen (Ermüdungsfestigkeit, Biegewechselfestigkeit, Dauerversuch, …) werden grundsätzlich Prototypen aus Druckguss empfohlen, da die Gefügestruktur für solche zyklischen Dauerbelastungen entscheidend ist. Zwar bringt ein im Kokillenguss gegossenes Gussteil in der Legierung ZP8/ZP0810 auch aussagekräftige Ergebnisse, jedoch ist die Gefügestruktur nicht absolut identisch. Auch hier sollte die erwartete höchste Betriebstemperatur während des Dauerbetriebes berücksichtigt werden.

Langzeitkriechbeständigkeit

Zinkdruckgussteile können beschleunigten Kriechversuchen ausgesetzt werden, die eine gute Korrelation mit der Betriebsleistungsfähigkeit aufweisen. Die Versuche werden entweder bei einer höheren Last ausgeführt, als die Belastungsgröße im Betrieb oder bei höheren Temperaturen als die der tatsächlichen Betriebstemperatur. Eine Kombination aus beidem ist ebenfalls möglich. Folgende Bedingungen müssen erfüllt werden:

1.      Die durch die Prüfbelastung mechanische resultierende Spannung darf 50 MPa nicht überschreiten

2.      die Prüftemperatur sollte 150°C nicht überschreiten

Bei komplexen Bauteilen kann die korrekte Ermittlung der effektiven Spannung im Bauteil schwierig sein. In solchen Fällen sollte die maximale Prüfbelastung mit der Last in dem Verhältnis stehen, bei welchem die Streckgrenze des Druckgussteils bei Raumtemperatur und bei gleicher Last erreicht wurde. Wenn z.B. ein Druckgussteil in ZP3/ZP0400 bei einer Last von 1.000 N die Streckgrenze erreicht, dann sollte die maximale Kriechprüflast 1.000 N, multipliziert mit 50 MPa, dividiert durch die Streckgrenze von ZP3/ZP0400 (220 MPa), d. h. 227,2 N, betragen. Es sollte zudem ein ausreichend großer Sicherheitskoeffizient festgelegt werden.

Falls ein Kriechtest für einen Prototypen erforderlich ist, sollte die gleiche Zinklegierung, die auch für die Serienproduktion vorgesehen ist, verwendet werden. Alle anderen mechanischen Eigenschaften eines derartigen Prototyps werden, verglichen mit dem reellen Druckgussteil, schwächer ausfallen. Die Kriecheigenschaften werden jedoch teilweise günstiger sein. Es gibt keine andere Zinklegierung, die im Druckgießverfahren besser ist.

Die Verhältnisse zwischen den Prüf- und Betriebstemperaturen sowie jene zwischen den Prüf- und Betriebslasten werden in den nachstehenden Gleichungen aufgezeigt. Es sollte hierbei berücksichtigt werden, dass die Genauigkeit der Ergebnisse mit ansteigender Prüfdauer exakter wird.  Generell sollten Erstmusterversuche mindestens über einen Zeitraum von 24 Stunden liegen. Endprüfungen sollten sogar über mehrere Wochen laufen. 

Die Kriechgleichung für Legierung ZP3/ZP0400 und ZP8/ZP0810 ist wie folgt:

ln σ = C’ + Q/RT – ln t
                    n

σ= Spannung MPa (50 MPa max)

t = Zeit in Sekunden

T = Temperatur in Grad K (423^oK, 150^oC, maximum)

n = Spannungsexponent = 3,5

Q= Aktivierungsenergie des Kriechvorganges (kJ/mol) (106 für die Zinklegierungen ZP3/ZP0400 und ZP8/ZP0810)

R = die Gaskonstante  = 8,3143 x 10^-3 kJ/mol

C’= Konstante der gegebenen Legierungen bei einer gegebenen Belastung

Diese Gleichung kann verwendet werden, um die realen Bedingungen für die langfristige Kriechfestigkeit zu bestätigen Dies wird durch die Konstante C’ ermöglicht, die sowohl für die Prüfung als auch für den Betrieb festgelegt wird unter der Bedingung, dass die gleiche Legierung eingesetzt wird und dass die Verformungsgrösse in beiden Fällen gleich ist.

t₁ = Betriebsdauer in Sekunden

t₂ = Dauer der beschleunigten Prüfung in Sekunden

T₁ = Betriebstemperatur ^oK

T₂ = Prüftemperatur ^oK

σ₁ = Betriebsspannung MPa

σ₂ = Prüfspannung MPa

Vorausgesetzt die Prüftemperatur überschreitet nicht 150°C und die Spannung übersteigt nicht 50 MPa, gelten die folgende Gleichungen:

ln t₁ = n x ln(σ₂/σ₁)+ ln t₂ + Q/RT₁ – Q/RT₂

ln t₂ = n x ln(σ₁/σ₂)+ ln t₁ + Q/RT₂ – Q/RT₁

T₂=                            1                                
(1/T₁) – (R (n x ln(σ₁/σ₂) + ln (t₁/t₂))/Q)

T₁=                             1                               
(1/T2) – (R (n x ln(σ₂/σ₁) + ln (t₂/t₁))/Q)

ln σ₁ =[ (n x lnσ₂)+ ln (t₂/t₁) + Q/RT₁ – Q/RT₂ ] / n

ln σ₂ = [(n x ln σ₁)+ ln (t₁/t₂)+ Q/RT₂ – Q/RT₁] / n